Radares de pulsos

TEMA III
RADARES DE PULSOS
Radares de Pulsos
3.1.- PRINCIPIOS BÁSICOS.
• Se utiliza una señal pulsada que se emite mediante una antena directiva.
• El tiempo empleado por el pulso en ser reflejado por el blanco, τ,
permite determinar su distancia al radar, Ro, y la dirección se obtiene
por el eje de apuntamiento de la antena.
τ=
2· Ro
c
Tr
Tp
Tp
i m p u l s o s t ra n s m iti d o s
Tp
Tp
i m p u l s o s re c ib i d o s
t
2 ·R 0
τ =
c
• Parámetros característicos del radar de pulsos:
o Tp: ancho del pulso.
o Tr: periodo de repetición de pulsos.
o PRF: 1/Tr: frecuencia de repetición de pulsos.
o Tp/Tr: ciclo de trabajo.
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Radares de Pulsos
3.2.- DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN RADAR PRIMARIO DE
PULSOS.
Cinco bloques funcionales:
o
Función transmisión: encargada de generar la señal de
radiofrecuencia a emitir.
o
Función radiación: su objetivo es radiar la energía en la dirección
apropiada.
o
Función recepción: detecta las señales reflejadas por los blancos.
o
Función proceso de información: determina la posición y/o
velocidad de los blancos y se presentan estos datos al usuario.
o
Controlador central: todos los subsistemas están controlados por
un ordenador central.
función transmisión
MODULADOR
CONTROLADOR
DE ANTENA
DUPLEXOR
FUENTE
DE SEÑAL
GENERADOR
FORMA DE ONDA
CONTROLADOR
GENERADOR
DIAGRAMAS DE
RADIACIÓN
función radiación
RECEPTOR
(filtro adaptado)
PROCESADOR
DE SEÑAL
EXTRACTOR
DE DATOS
PROCESO
DE DATOS
PRESENTACIÓN
función recepción
función proceso de
información
B
D
A
C
B
D
A
C
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Radares de Pulsos
TRANSMISORES.
• El transmisor es uno de los elementos más críticos de un sistema
radar.
• Se caracterizan por varios parámetros: potencia de pico, potencia
media, forma de los pulsos, banda de trabajo, ganancia, fuente de
alimentación, ....
• Posibles estructuras:
Modulación a alto nivel
Duplexor
Oscilador de
Alta Potencia
Fuente de
Alimentación
Modulación
Generador de
Forma de Onda
Receptor
Modulación a bajo nivel
Duplexor
Receptor
Amplificador
de Potencia
Modulador a
Bajo Nivel
Fuente de
Alimentación
Generador de
Forma de Onda
RF
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Radares de Pulsos
• Principales elementos:
- Fuente de señal (oscilador o amplificador de potencia)
- Modulador (de alto o bajo nivel)
- Fuente de alimentación
- Generador de forma de onda
- Duplexor.
• Formas de onda significativas (alto nivel):
Disparo
1/PRF
Modulador
t
Tp
t
Magnetrón
1/fT
t
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DUPLEXORES.
• Conmutador que selecciona la antena para el transmisor o el
receptor.
⇓
Radares monoestáticos
• Tipos:
o Duplexores con células de descarga de gas
o Duplexores de estado sólido
ANTENAS.
• Su misión transmitir la potencia de forma eficiente hacia el destino
y alimentar al receptor con las débiles señales que le llegan
• Se caracterizan por varios parámetros:
* Diagrama de radiación de amplitud y fase: Proporcionan los
niveles de radiación en función de la dirección.
* Ganancia directiva: G D =
4·π
θ B ·φ B
* Ganancia de potencia: G P =
(antena tipo pincel)
4·π · Ae
λ2
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• Características de las antenas radar:
* Haces principales estrechos: obtener una buena resolución angular.
* Nivel de lóbulos secundarios muy bajos: evitar falsos blancos.
* Alta eficiencia para conseguir el mayor alcance posible.
* Polarización lineal, ya sea horizontal o vertical.
• Tipos de antenas radar: Reflectores y Arrays.
Reflectores
Arrays
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Radares de Pulsos
RECEPTORES.
• El receptor es uno de los elementos más sofisticado de un radar.
• Se caracterizan por varios parámetros:
* Sensibilidad: mínima señal necesaria a la entrada del receptor para
que éste funcione adecuadamente.
* Banda de trabajo: bandas cada vez más grandes.
* Factor de ruido: se optimiza utilizando amplificadores de bajo ruido.
* Margen dinámico: es el margen de los niveles de señal a la entrada
del receptor que permiten el correcto funcionamiento del mismo.
Esquema de bloques de un receptor radar
Control GTC
Filtro
Adaptado
Transmisor
RF
FI
Atenuador
Variable
CAF
A(t)sen(ωFIt+φ(t))
log(A(t)) I
Amp. Video
A(t) Q
Posibles
Detectores
A(t)sen(φ(t)) I
A(t)cos(φ(t)) Q
cos(φ(t)) I
sen(φ(t)) Q
Detección con
Amplificadores
Logarítmicos
Detector
Amplificador
Lineal
Detector
Síncrono
Amplificador
Lineal
FI
Detector
de Fase
FI
COHO
Amplificador
Limitador
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PROCESO DE LA INFORMACIÓN.
• Está constituido por tres subsistemas: procesador de señal,
extractor de datos y procesador de datos.
Procesador de señal
• Es el subsistema encargado de determinar la presencia o no de
blancos.
• Principales procesadores:
* Indicador de blancos móviles (MTI).
* Procesamiento digital de pulsos (PDP o RDP).
* Técnicas CFAR (Constant False Alarm Rate).
* Circuitos Log-FTC.
* Técnicas de compresión de pulsos.
Extractor de datos
• Es el subsistema encargado de suministrar la distancia, dirección (acimut
y/o elevación), velocidad del blanco, ‘firma radar’,...
⇓
PLOT
Procesador de datos
• A partir de los plots genera las pistas mediante su correlación espacial.
• Mejorar la precisión de los plots ⇒ filtros de seguimiento.
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PRESENTACIÓN DE DATOS.
• Este subsistema pretende presentar la información al operador del
modo más adecuado para su correcta interpretación.
o Información no procesada: display con vídeo crudo.
o Información procesada digitalmente: display sintético.
• Existen varios tipos de presentaciones: PPI es la más usual.
TB=2R/c
Circuito de
Barrido
Control
de Brillo
Bob. Deflec.
TB
Circuito de
Brillo
Vídeo
Ganancia
Cátodo
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Radares de Pulsos
Otros tipos de presentaciones:
Tendencia actual: utilización de displays mas sofisticados atacados
con vídeo sintético (mapas, símbolos,..).
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3.3.- IMPACTOS POR EXPLORACIÓN.
• En los radares de exploración sólo se reciben un número determinado
de ecos por pasada de antena.
• La antena ilumina al blanco durante un cierto tiempo:
tS =
θ B (º )
Ω (º / seg )
como:
Ω (rpm ) =
1 vuelta 60 seg Ω (º / seg )
=
360 º 1 min
6
el número de ecos recibidos por blanco y vuelta de antena será:
n = t S · PRF =
θ B (º )· PRF
6 ·Ω (rpm )
• Como los pulsos son integrados en recepción para mejorar la relación
S/N ⇒ n sea grande.
⇓
θB ↑ ⇒ pérdida de resolución angular.
PRF ↑ ⇒ disminución del máximo alcance no ambiguo.
Ω ↓ ⇒ menor información relativa al blanco.
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Radares de Pulsos
3.4.- AMBIGÜEDAD EN DISTANCIA.
• Un blanco lo suficientemente alejado como para que el tiempo de ida y
vuelta de la señal sea mayor que el periodo de repetición de pulsos se
traduce en un blanco falso o ambiguo.
blanco
ambigüo
Rmax =
cTr
2
Ra = R -
cTr
2
blanco
falso
pulsos
transmitidos
0
Tr/2
Tr
t
Máxima distancia no ambigua:
Ru =
c ·Tr
2
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Radares de Pulsos
Ecos recibidos en intervalos que excedan Tr ⇒ ecos en tiempo
múltiple.
⇓
• Detección: variar la PRF.
• Solución: entrelazado de PRF.
Ejemplo:
A
t=0
Ru
B
A'
Tr=1/PRF
B'
2Tr
C
A''
3Tr
(a) Tiempo (o distancia)
B
C
A
(b) Distancia
B
C
A
(c) Distancia
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Radares de Pulsos
3.5.- RESOLUCIÓN DE UN RADAR DE PULSOS.
Resolución en distancia y distancia mínima.
• La resolución en distancia (∆R) es la mínima separación que debe existir
entre dos blancos, situados en la misma dirección, para que se detecten
como distintos.
∆R =
c ·Tp
2
R
R1
∆R
R=Ra
R2
cTr
2
R1
R2
R=
min
∆R
cTp
2
0
R/c
2R 1/c
2R 2 /c
t
2 ∆ R/c
Interesa Tp ↑ (alcance) y Tp ↓ (resolución) ⇒ compromiso.
• La distancia mínima (Rmin) a la que debe estar un blanco para ser
detectado es:
R min =
c ·Tp
2
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Radares de Pulsos
Resolución angular.
• Para localizar un blanco, además de la distancia, es necesario obtener el
acimut y la elevación.
⇓
Antenas muy directivas en los planos horizontal y vertical
θB
θ
ϕB
ϕ
• La resolución angular es la mínima separación, tanto en acimut como en
elevación, que debe existir entre dos blancos, que se encuentran a la misma
distancia, para que el radar los pueda distinguir.
θB ≤ θ2-θ1
θB=ancho haz acimut
φB ≤ φ2- φ1
φ B=ancho haz elevación
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Radares de Pulsos
• Un radar podrá resolver en acimut dos blancos A y B siempre que la
distancia entre ellos, D, sea:
D > 2 ⋅ R ⋅ sen
R
θB
2
Blanco A
Dmin
Blanco B
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